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电子产品热设计

2020-09-01 09:15
可靠性杂坛
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电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。多余的功率大部分转化为热而耗散。当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度,这种情况导致了热量的集中,因此需要采用合理的热设计手段,进行有效的散热,以便产品在规定的温度极限内工作。热设计技术就是指利用热的传递条件,通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度,使其在产品所在的工作条件下,以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。

一、电子产品热设计的目的

电子产品在工作时会产生不同程度的热能,尤其是一些功耗较大的元器件,如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等,实际上它们是一个热源,会使产品的温度升高。在温度发生变化时,几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象,这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。温度不均引起的局部应力集中是有害的,金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力,从而导致金属因疲劳而毁坏。另外,对于电子产品而言,元器件都有一定的工作温度范围,如果超过其温度极限,会引起电子产品工作状态的改变,缩短使用寿命,甚至损坏,导致电子产品不能稳定、可靠地工作。

电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计,降低产品的工作温度,控制电子产品内部所有元器件的温度,使其在所处的工作环境温度下,以不超过规定的最高允许温度正常工作,避免高温导致故障,从而提高产品的可靠性。

二、电子产品散热系统简介

热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射,对应的散热方式为:传导散热、对流散热和辐射散热。

典型的散热系统介绍如下:

(1)自然冷却系统

自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中(环境温度略微升高),再通过空调等其他设备降低环境温度,达到散热的目的。此类散热系统的设计原则是:尽可能减少传递热阻,增加产品中的对流风道和换热面积,增大产品外表的辐射面积。自然冷却是最简单、最经济的冷却方法,但散热量不大,一般用于热流密度不大的产品中。

(2)强迫风冷散热系统

强迫风冷散热系统是指利用风机等设备将冷空气吹到产品表面或内部,从而快速带走热量的散热方式。强迫风冷按照风机的工作方式分为抽风冷却和吹风冷却。当设备热源分布均匀时采用抽风冷却,非均匀热源采用吹风冷却。根据产品发热量的大小,对所选的风机及风机的安排方式都有特别的要求(如气流的流量、压力、噪声等)。

按照空气流经发热元器件的方向,强迫风冷还可分为横向通风冷却、纵向通风冷却和纵出通风冷却。横向通风冷却就是冷空气通过静压风道再流向需散热的元器件或散热器,发生换热后,热空气从设备的另一侧排出。纵向通风冷却用于平行安装的印制板组装件等,空气换热后,热空气从产品的另一侧排出。纵出通风冷却多用于垂直安装的印制板组装件等,空气从下部进入产品,热空气从上部排出。

在设计冷却系统时,需合理布置各个发热元器件,发热少、耐温差的元器件排在气流的上游,然后按耐热性由低到高排列,这种冷却方式多用于发热量不大的设备。

自然冷却和强迫风冷都属于直接冷却方法,与间接冷却方法相比,该类冷却方法结构简单、设计简单、成本低,多用于热流密度较高的产品。

(3)气冷式冷板散热系统

气冷式冷板散热系统的冷却介质为空气,该系统一般由盖板、肋片、底板和封装组成。肋片是冷板的主要零件,也是组成扩散表面的基本部分,肋片材料一般为铝材或铜材,在机载产品中,由于质量要求较为严格,肋片一般由铝材制成,有多种不同的结构参数,可根据冷却的工作环境(温度、气压、湿度和污染等情况)来选择肋片形状、肋间距、肋高和肋厚。

气冷式冷板散热是一种常用的间接冷却散热方式,结构简单,易于实现。其缺点是散热能力有限,结构尺寸较大,散热效率较液冷式冷板低得多,常用在小型机载电子设备中。

(4)液冷式冷板散热系统

液冷式冷板散热系统的冷却介质为液体,冷却材料通常为导热较好的铝材或铜材,在机载电子产品中常用铝材。冷板的大小及液道的形状可根据空间的大小,散热量及冷却源的压力来确定。根据冷板工作的环境温度,选择合适的冰点、沸点、比势、导热系数、汽化热、动力黏度的冷却剂(如乙醇等)。

液冷式冷板散热是一种常用的散热方式,其热流密度大(可达45×103W/m2)、散热效率高、热负载均匀、温度梯度小、结构紧凑。与同体积的其他换热器相比,质量轻、换热面积大,适用于大功率元器件的散热,被广泛用在机载电子产品中。

在设计冷板时,要考虑泵的压力、冷却液的流量、冷却液的温升、冷板表面温度冷却剂的二次冷却等诸多因素,以合理地制定结构方案。

三、电子产品热设计的基本问题及要求

对电子产品进行热设计,需要事先明确几个问题。

(1)电子产品(包括发热元器件)的热特性

热设计的基本依据是元器件的热特性(也叫热的边界条件),包括元器件(或产品)的发热功率、发热元器件(或产品)的散热面积,发热元器件或热敏元器件(或产品)的最高允许工作温度及温度环境等。这些数据参数一般由元器件数据手册(制造厂家提供)给出,设计师借此确定散热方案及冷却介质流量。当这种数据资料不足时,原则上不能准确地进行热设计,需要设计者通过测量和试验确定各个参数,以保证设计的准确性。

(2)元器件(或产品)的环境温度

热传导的原则是:热量总是从高温物体传给低温物体,热传递的速度与温差、传输方式(或介质)有关。相同的传输方式下,温差越大热量传递越快。可见,电子产品(包括发热元器件)的最终温度除了与元器件的热特性有关外,还与所处的环境温度密切相关。因此,进行热设计前必须准确了解电子产品(或元器件)所处工作环境的温度。

实际工作中,通常根据元器件(或产品)的工作环境温度及元器件(或产品)的最高允许温度确定散热系统中冷却剂的进出口温度(温差值),并将此作为热设计初步估算时的参考数据。

热设计的原则是把产品的温度限制在某一最大和最小的范围内,尽量使电子产品内各点之间的温差最小,具体要求包括:

① 保证系统具有良好的冷却功能。

根据产品的热损耗值、用途及温升等要求来确定冷却方法。在热回路中元器件的发热表面到连接物之间的热阻(热量传递过程的阻力)应尽量小;不同元器件间应采用不同的散热措施,目的是保证电子产品内的所有元器件均能在规定的热环境中正常工作。

② 保证冷却系统工作的可靠性。

不管环境如何变化,冷却系统必须能以重复的和预定的方式完成所规定的功能。在规定的使用期限内,冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。

③ 冷却系统要具有良好的适应性。

设计冷却系统时,应留有散热余量。因为有的产品在工作一段时间后,由于某些因素的变化,如热耗散或流体流动阻力的增加,会要求增强散热能力,如果没有余量则需进行重新设计,会带来不必要的麻烦和成本增加。

④ 冷却系统的设计要有良好的经济性。

设计一个良好的冷却系统,必须综合考虑各方面的因素,使其既能满足冷却要求,又能达到电气性能的指标,同时所用的冷却代价最小、结构紧凑、工作可靠。

⑤ 冷却系统要有良好的可维修性。

冷却系统的设计应力求简单,尽可能使用最少的和通用的元器件,以便于维修和更换。

四、电子产品热设计原则

热设计的基本原则是可制造性、可维修性、经济性。即以最简化的设计、最低的成本满足产品的使用要求。

根据经验,热设计一般应遵循以下设计原则:

① 热流密度超过0.08W/cm2、体积功率密度超过0.18W/cm3时,应采用强迫空气冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热管或其他冷却方法。

② 若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器,推荐采用强迫空气冷却系统。

③ 对于必须在高温环境条件下工作,元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件或体积功耗密度很高的元器件或设备,推荐使用液冷式散热系统。

④ 一般情况下,设计时应使一切外露部分(包括机箱)工作在35℃环境温度以下,且它们的温度不得超过60℃,面板和控制器不应超过43℃。

⑤ 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计等同时进行,当出现矛盾时,应平衡分析,折中解决。但不得损害电气性能,并要符合可靠性要求,以使设备的寿命周期费用降至最低。

⑥ 设计冷却系统时,必须考虑经济性、体积及质量等因素,应最大限度地利用传导、辐射、对流等基本冷却方式,避免外加冷却装置。

⑦ 设计冷却系统时,必须考虑到可维修性,要从整个系统的角度出发选择热交换器、冷却剂及管道,同时冷却剂不能对交换器和管道有腐蚀作用。

⑧ 在温度敏感的元器件或设备周围应设置温度监控装置,以便当其周围温度超出该元器件允许工作温度范围时提供报警或自行断电,以保护设备安全(需要长期连续运行的电子设备不适用)。

⑨ 热设计中允许有较大的误差,设计过程的早期应对冷却系统进行数值分析和计算。

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